[發明專利]一種非線性的質點彈簧軟組織形變仿真方法

有效

• 申請號: 202010148426.7
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111488670B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 段玉萍;閆夢圓
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 天津市三利專利商標代理有限公司 12107
• 代理人: 韓新城

本發明公開一種非線性的質點彈簧軟組織形變仿真方法，包括步驟：采集軟組織的醫學影像數據，對器官圖像分割，利用Delaunay三角面片網格剖分得到三維面網格數據；在三維網格剖分的基礎上，以網格節點為質點，節點之間連接的邊為由結構彈簧和阻尼彈簧并聯組成的彈簧組件，形成質點彈簧軟組織模型，手術器械和質點彈簧軟組織模型之間是否發生碰撞，若發生碰撞則計算各質點受力，更新質點位置與質點速度，計算質點彈簧軟組織模型表面質點的形變值，直至手術器械和質點彈簧軟組織模型之間不發生碰撞為止；然后輸出仿真結果并進行視覺渲染后結束整個流程。本發明能夠更準確的實時仿真軟組織的形變。

技術領域

本發明涉及軟組織形變建模技術領域，特別是涉及一種非線性的質點彈簧軟組織形變仿真方法。

背景技術

在解剖教學、手術模擬和手術訓練等領域中，對于器官和組織的物理運動模擬是一個核心問題。人體組織器官一般具有軟組織特性，通常表現為不均勻性、各向異性、準不可壓縮性、非線性、塑性和粘彈性等材料性質，對于此類軟組織形變過程的精準、實時模擬一直都是很有挑戰的研究課題。質點彈簧模型是人體軟組織建模方面應用較多的模型之一，現有的基于質點彈簧模型的交互式軟組織形變仿真模型大多將軟組織的應力-應變的本構關系簡化為線性關系。其計算復雜度低且易于對時間進行離散化進而迭代計算但其計算精度不高。

由于實時模擬計算的需要，現有的方法多采用線彈性理論描述軟組織形變，即假定應力分量與無窮小應變之間存在線滯后關系。采用線彈性模型的優點是，在整個模擬過程中，全局剛度矩陣是恒定的可以預先計算、反演和存儲，提高計算效率。事實上，生物軟組織是非線性的材料，只有在小變形的情況下可以近似為線性材料。另外，軟組織形變中的大變形、大轉動、大位移都會產生幾何非線性，這并不是經典的線彈性理論能解決的。

總之，現有的基于質點彈簧模型的交互式仿真系統為保證實時求解模型均簡化軟組織形變為線彈性模型，來提高計算效率。使用線彈性作為基本模型的假設盡管在運行時可減少計算量，但同時限制了建模物理材料的精度。更重要的是，線彈性模型只能近似于小位移、小形變情況下的軟組織形變。然而，生物軟組織具有材料非線性特性，且在形變量大的情況下具有幾何非線性特性。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術中存在的技術缺陷，而提供一種非線性的質點彈簧軟組織形變仿真方法，將歐拉彈性用于刻畫質點彈簧模型中的彈簧形變進而表征軟組織的非線性性，即將歐拉彈性能量用于刻畫質點彈簧模型中的彈簧形變量,進而計算彈簧長度可以得到滿足非線性的應力-應變關系，進而用來表征軟組織非線性的本構關系。

為實現本發明的目的所采用的技術方案是：

一種非線性的質點彈簧軟組織形變仿真方法，包括步驟：

采集軟組織的醫學影像數據，對器官圖像分割，利用Delaunay三角面片網格剖分得到三維面網格數據；

在三維網格剖分的基礎上，以網格節點為質點，節點之間連接的邊為由結構彈簧和阻尼彈簧并聯組成的彈簧組件，形成質點彈簧軟組織模型；

檢測手術器械和質點彈簧軟組織模型之間是否發生碰撞，若發生碰撞則計算各質點受力，更新質點位置與質點速度，計算質點彈簧軟組織模型表面質點的形變值，直至手術器械和質點彈簧軟組織模型之間不發生碰撞為止；

輸出仿真結果并進行視覺渲染后結束整個流程。

本發明考慮到生物軟組織的非線性性，能夠更準確的實時仿真軟組織的形變。本發明的非線性的質點彈簧軟組織形變仿真方法更接近于真實的軟組織生物力學特性，可以有效地保證仿真的精度和計算復雜度。

附圖說明

圖1是非線性的質點彈簧軟組織形變仿真方法的流程圖；

圖2是肝臟三角網格剖分可視化結果圖；

圖3是兩個質點間的彈簧組件示意圖；